Кремний, его свойства и аллотропные изменения. Кремний – биогенный элемент

«Кремний, его  свойства и аллотропные изменения. Кремний  – биогенный элемент»

 

 

План:

 

Введение                                                                                                              

История открытия кремния                                                                                            

Кремний в природе  и его промышленная добыча                                                          

Кремний, его свойства и аллотропные видоизменения                                             

Способы получения кремния                                                                                        

Соединения кремния  и их свойства                                                                 

Силикатная промышленность                                                                                            

Заключение                                                                                                                    

Литература                                                                                                                 

 

 

 

 Введение

Целебные свойства  кремния были известны задолго до наших дней: в древней Индии и Китае издавна использовали целебные свойства молодого бамбука, содержащего кремний, а на  Руси употребляли белую глину для лечения анемичных детей и немощных стариков, от отравлений и изжоги, от болезней кожи. Еще в фармацевтической практике древних Индии и Китая, а позднее и народной медицине многих стран использовались отвары, настои и экстракты из таких кремнийсодержащих растений, как хвощ, крапива, горец, бамбук и знаменитый женьшень. Более 200 лет кремний используется в классической гомеопатии, очень популярен он в современной косметологии и широко используется в мезотерапии для ревитализации (омоложения) кожи.

Цель: изучить свойства кремния и природных его соединений, совершенствовать знания о строении атомов

Задачи:

• Определить строении кремния, значении кремния и его соединений и их практическом применении.
• Выделить значение кремния как биогенного элемента
• Определить основные области силикатной промышленности

 

 

История открытия кремния

Кремний — элемент главной подгруппы четвертой группы третьего периода периодической системы химических элементовД. И. Менделеева, с атомным номером 14. Обозначается символом Si (лат. Silicium).

В чистом виде кре́мний был выделен в 1811 году французскими учеными Жозефом Луи Гей-Люссаком и Луи Жаком Тенаром.

В 1825 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фтористый кремний SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название «силиций» (от лат. silex — кремень). Русское название «кремний» введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе c др.-греч.κρημνός — «утес, гора».

(от лат. silicis – кремень; русское название от греческого – kremnos – утёс) Si – открыт Й.  
Берцелиусом (Стокгольм, Швеция) в 1824 г.А вот кремний (Silicium - лат.) химический элемент, атомный номер 14, IV группа периодической системы.

В 1825 году шведский химик  Йёнс Якоб Берцелиус действием металлического калия на фторид кремния SiF₄ получил чистый элементарный кремний. Новому элементу было дано название “силиций” ( от лат. silex – кремень ). Русское название “кремний” введено в 1834 году российским химиком Германом Ивановичем Гессом. В переводе с греческогоkremnos – “утес, гора ”.

Нахождение  в природе

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л^[2].

Чаще всего в природе кремний  встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде: Металлический кремний в ийолитахГорячегорского массива, Петрология обыкновенных хондритов.

 

 

 

 

                                                          4

    Кремний в природе  и его промышленная добыча  

Содержание кремния в земной коре составляет по разным данным 27,6—29,5 % по массе. Таким образом по распространённости в земной коре кремний занимает второе место после кислорода. Концентрация в морской воде 3 мг/л^[2].

Чаще всего в природе кремний  встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO₂ (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты, кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты

Отмечены единичные факты нахождения чистого кремния в самородном виде: Металлический кремний в ийолитахГорячегорского массива, Петрология обыкновенных хондритов.

Свободный кремний может быть получен прокаливанием с магнием мелкого белого песка, который по химическому составу является почти чистым окислом кремния,

• SiO₂+2Mg=2MgO+Si ,

образующийся при этом аморфный кремний имеет вид бурого порошка, плотность которого равна 2,0 г/см³ 

В промышленности кремний технической чистоты получают, восстанавливая расплав SiO₂коксом при температуре около 1800 °C в дуговых печах. Чистота полученного таким образом кремния может достигать 99,9 % (основные примеси — углерод, металлы).

Возможна дальнейшая очистка кремния  от примесей.

• Очистка в лабораторных условиях может быть проведена путём предварительного получения силицида магния Mg₂Si. Далее из силицида магния с помощью соляной или уксусной кислот получают газообразный моносилан SiH₄. Моносилан очищают ректификацией, сорбционными и др. методами, а затем разлагают на кремний и водород при температуре около 1000 °C.
• Очистка кремния в промышленных масштабах осуществляется путём непосредственного хлорирования кремния. При этом образуются соединения состава SiCl₄ и SiCl₃H. Эти хлориды различными способами очищают от примесей (как правило перегонкой и диспропорционированием) и на заключительном этапе восстанавливают чистым водородом при температурах от 900 до 1100 °C.
• Разрабатываются более дешёвые, чистые и эффективные промышленные технологии очистки кремния. На 2010 г. к таковым можно отнести технологии очистки кремния с использованием фтора (вместо хлора); технологии предусматривающие дистилляцию монооксида кремния; технологии, основанные на вытравливании примесей, концентрирующихся на межкристаллитных границах.

 

                                                            5

Содержание примесей в доочищенном кремнии может  быть снижено до 10⁻⁸—10⁻⁶% по массе. Более подробно вопросы получения сверхчистого кремния рассмотрены в статье Поликристаллический кремний     

Способ получения кремния  в чистом виде разработан Николаем Николаевичем Бекетовым.

Крупнейшим производителем кремния в России является ОКРусал[1] — кремний производится на заводах в г. Каменск-Уральский (Свердловская область) и г. Шелехов (Иркутская область).

 

Кремний, его свойства и аллотропные видоизменения                                      

Кристаллический кремний-это  вещество темно-серого цвета со стальным блеском. Структура кремния аналогична структуре алмаза: кристаллическая  решетка кубическая гранецентрированная, но из-за большей длины связи между атомами Si-Si по сравнению с длиной связи C-C твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний очень хрупок, его плотность 2,33 г/см^{3 .}

Как и уголь, относится  к тугоплавким веществам.

Кристаллическая структура  кремния.

Кристаллическая решетка  кремния кубическая гранецентрированная  типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр. Собственная концентрация носителей заряда — 13,1×10²⁸м⁻³

Химические  свойства

В соединениях кремний  склонен проявлять степень окисления +4 или −4, так как для атома кремния более характерно состояние sp³-гибридизации орбиталей. Поэтому во всех соединениях, кроме оксида кремния (II) SiO, кремний четырёхвалентен.

Химически кремний малоактивен. При комнатной температуре реагирует только с газообразным фтором, при этом образуется летучийтетрафторид кремния SiF₄. При нагревании до температуры 400—500 °C кремний реагирует с кислородом с образованием диоксида SiO₂, с хлором, бромом и иодом — с образованием соответствующих легко летучих тетрагалогенидов SiHalogen₄.

С водородом кремний непосредственно не реагирует, соединения кремния с водородом — силаны с общей формулой Si_nH_2n+2 — получают косвенным путем. Моносилан SiH₄ (его часто называют просто силаном) выделяется при взаимодействии силицидов металлов с растворами кислот, например:

Ca₂Si + 4HCl → 2CaCl₂ + SiH₄↑.

Образующийся в этой реакции  силан SiH₄ содержит примесь и других силанов, в частности, дисилана Si₂H₆ и трисилана Si₃H₈, в которых имеется цепочка из атомов кремния, связанных между собой одинарными связями (—Si—Si—Si—).

С азотом кремний при температуре около 1000 °C образует нитрид Si₃N₄, с бором — термически и химически стойкие бориды SiB₃, SiB₆ и SiB₁₂. Соединение кремния и его ближайшего аналога по таблице Менделеева — углерода — карбид кремнияSiC (карборунд) характеризуется высокой твердостью и низкой химической активностью. Карборунд широко используется как абразивный материал.

                                                                 7

При нагревании кремния с металлами  возникают силициды. Силициды можно  подразделить на две группы: ионно-ковалентные (силициды щелочных, щелочноземельных металлов и магния типа Ca₂Si, Mg₂Si и др.) и металлоподобные (силициды переходных металлов). Силициды активных металлов разлагаются под действием кислот, силициды переходных металлов химически стойки и под действием кислот не разлагаются. Металлоподобные силициды имеют высокие температуры плавления (до 2000 °C). Наиболее часто образуются металлоподобные силициды составов MeSi, Me₃Si₂, Me₂Si₃, Me₅Si₃ и MeSi₂. Металлоподобные силициды химически инертны, устойчивы к действию кислорода даже при высоких температурах.

При восстановлении SiO₂ кремнием при высоких температурах образуется оксид кремния (II)SiO.

Для кремния характерно образование  кремнийорганических соединений, в  которых атомы кремния соединены  в длинные цепочки за счет мостиковых атомов кислорода —О—, а к каждому атому кремния, кроме двух атомов О, присоединены еще два органических радикала R₁ и R₂ = CH₃, C₂H₅, C₆H₅, CH₂CH₂CF₃ и др.

Для травления кремния наиболее широко используют смесь плавиковой и азотной кислот. Некоторые специальные травители предусматривают добавку хромового ангидрида и иных веществ. При травлении кислотный травильный раствор быстро разогревается до температуры кипения, при этом скорость травления многократно возрастает.

1. Si+2HNO₃=SiO₂+NO+NO₂+H₂O
2. SiO₂+4HF=SiF₄+2H₂O
3. 3SiF₄+3H₂O=2H₂SiF₆+↓H₂SiO₃

Для травления кремния могут использоваться водные растворы щелочей. Травление кремния в щелочных растворах начинается при температуре раствора более 60°С.

1. Si+2KOH+H₂O=K₂SiO₃+2H₂↑
2. K₂SiO₃+2H₂O↔H₂SiO₃+2KOH

 

Физические  свойства

Кристаллическая решетка  кремния кубическая гранецентрированная типа алмаза, параметр а = 0,54307 нм (при высоких давлениях получены и другие полиморфные модификации кремния), но из-за большей длины связи между атомами Si—Si по сравнению с длиной связи С—С твердость кремния значительно меньше, чем алмаза. Кремний хрупок, только при нагревании выше 800 °C он становится пластичным веществом. Интересно, что кремний прозрачен к инфракрасному излучению, начиная с длины волны 1.1 микрометр. Собственная концентрация носителей заряда — 13,1×10²⁸м⁻³